近日，同济大学工程风险研究团队张东明教授、姜琪浩博士生和张晋彰博士后等在《Engineering Geology》期刊上发表了题为“Influence of geological uncertainty on longitudinal deformation of tunnel based on improved coupled Markov chain”的研究论文，通过改进的耦合马尔可夫链方法重构三维地质模型，揭示地层变异性对盾构隧道纵向变形的影响。本研究中使用相关系数来验证不同埋深隧道变形与周围地层之间的关系。当地层范围接近隧道直径的两倍时，该范围内岩土体的加权弹性模量与隧道衬砌的变形具有极强的相关性。此外，本研究提出了地层变异指数（GUI）和加权弹性模量两个定量指标，通过这两个指标可以使工程师在进行大量的三维精细有限元计算之前，使用地质勘察数据对隧道工程进行更定量的评估分析。最后使用超越概率作为三维地层重构的指标，基于不同重构地层给出了隧道在不同穿越区域可能的纵向变形范围。

  隧道纵向线型设计中，为满足节能和排水等需求，隧道线路往往设计一定的坡度，因此隧道不可避免的会穿越多层非均匀地层，复杂的地层环境会给隧道及地下工程的风险控制带来许多不利。例如， 2007年巴西圣保罗地铁4号线Pinheiros站施工中发生重大事故，造成7人伤亡，事故原因在于未能对地层情况进行准确估计，预想的地层剖面和实际地层剖面存在较大偏差。

  由于工期紧、成本高等原因，地质勘察通常并没有大量的现场数据，因此，如何描述地质不确定性及其对岩土工程的影响仍然是地质学家和工程师面临的挑战。此外，当前关于三维精细化盾构隧道的模拟往往假定相关地层是确定的。本研究旨在建立一个考虑地层变异性的三维隧道开挖计算框架。该计算框架可以基于钻孔信息输出一系列可能的地层分布情况，并最终给出隧道开挖可能的收敛变形范围。这将提高盾构隧道建设的效率和安全性。

  论文基本思路如下：本研究采用改进的三维耦合马尔可夫链模型（如图1），基于优化算法和钻孔数据估算了所需的转移概率矩阵。其次，提出了一种三维不对称网格的映射方法，实现了地质模型与数值模型之间不规则网格的匹配（如图2）。在此基础上使用有限元软件构建了一个三维精细化的盾构隧道开挖模型（如图3）。之后通过相关系数评估了不同埋深下隧道变形与周围地层环境的关系（如图4）。并使用所提的地层变异指数（GUI）量化了各岩土层的地层变异性（如图5）。最终使用所提的超越概率重构了隧道周围的三维地层，并进行了隧道开挖过程中纵向变形可能范围的定量分析（如图6）。本研究的结果将为盾构隧道的施工安全提供重要依据。

图1 三维耦合马尔可夫链模拟流程

图2 模拟地层映射到隧道模型中过程示意图

图3 考虑地层变异的隧道开挖有限元模拟

(a) 隧道有限元尺寸参数 (b) 隧道穿越各地层示意图 (c) 模拟隧道开挖的具体步骤

图4 隧道纵向变形与不同范围内地层的关系图

图5 不同地层在隧道掘进方向上GUI值的变化

图6 不同超越概率下隧道纵向变形曲线

  本研究建立了一个考虑地层变异性的三维隧道开挖计算框架。揭示了不同范围内地层的加权弹性模量与隧道变形之间的关系。研究引入的地层变异指数（GUI）概念可以更精确地量化三维地层的变异性。同时，使用超越概率作为三维地层重构的指标，基于不同重构地层最终给出隧道在不同穿越区域可能的纵向收敛变形范围。本研究为隧道工程中考虑地层变异性提供了更实用的定量指标参考。

通讯作者

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张东明 教授

主要从事地下工程结构安全风险控制

邮箱：09zhang@tongji.edu.cn

第一作者

姜琪浩 博士生 

主要从事地层和参数空间变异的定量识别和特征刻画研究

邮箱：2310045@tongji.edu.cn

第二作者

张晋彰 博士后

主要从事不确定地层智能重构及隧道耦合解耦研究

邮箱：zhangjz@tongji.edu.cn

文献格式

Jiang, Q. H., Zhang, J. Z., Zhang, D. M., Huang, H. W., Shi, J. K., & Li, Z.L. (2024). Influence of geological uncertainty on longitudinal deformation of tunnel based on improved coupled Markov chain. Eng. Geol., 107564.

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https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107564

撰稿：姜琪浩

编辑：陈辉浩

校队：章艺严

审核：申轶尧